Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор экспериментальных и теоретических исследований работы свайно-плитных фундаментов 12
1.1 Особенности технологии устройства буроинъекционных свай 12
1.2 Оценка взаимодействия свай с грунтом при различном их расположении (одиночном, кустовом и в виде свайного поля) 16
1.3 Существующие методы расчета и конструирования свайно-плитных фундаментов 22
1.4 Опыт строительства свайно-плитньгх фундаментов 29
1.5 Основные задачи исследований 32
2 Обобщение результатов полевых испытаний натурных буроинъекционных свай в песчаных, глинистых грунтах и совершенствование метода оценки их несущей способности 33
2.1 Выбор критерия оценки несущей способности натурных свай 33
2.2 Инженерно-геологические условия площадок строительства, использованных при устройстве буроинъекционных свай 37
2.3 Методика проведения полевых испытаний натурных буроинъекционных свай на статическую вдавливающую нагрузку 43
2.4 Результаты полевых испытаний натурных буроинъекционных свай в песчаных, глинистых грунтах и оценка их несущей способности 45
2.4.1 Выборка результатов и условное разделение их на группы 45
2.4.2 Статистическая обработка результатов испытаний и их анализ 47
2.5 Численное моделирование работы буроинъекционных свай для оценки их несущей способности 53
2.5.1 Обоснование выбора программного комплекса и параметров расчетной модели 53
2.5.2 Результаты численного моделирования поведения одиночных буроинъекционных свай в песчаных и глинистых фунтах 56
2.6 Совершенствование метода оценки несущей способности буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах 59
2.7 Выводы по главе 2 60
3 Совершенствование метода проектирования свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах 61
3.1 Конструктивные, геометрические параметры свайно-плитных фундаментов и их использование при проектировании 61
3.2 Влияние жесткости фундаментной плиты на деформации грунтов основания 62
3.3 Оценка перемещений буроинъекционных свай при различной жесткости надземных строительных конструкций 65
3.4 Выбор геометрических параметров при размещении буроинъекционных свай в составе свайно-плитных фундаментов 72
3.4.1 Выбор диаметра буроинъекционных свай 72
3.4.2 Выбор расстояния между буроинъекционными сваями и оценка его влияния на работу свайно-плитных фундаментов 74
3.5 Критерий оценки эффективности работы свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах 76
3.6 Совершенствование метода расчета и конструирования свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах 77
3.6.1 Численные эксперименты в программном комплексе Midas GTS для обоснования подхода к размещению буроинъекционных свай в плане в составе свайно-плитного фундамента 77
3.6.2 Последовательность проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай для зданий и сооружений 85
3.7 Выводы по главе 3 87
4 Разработка программы «CPRF-CFA» для выбора параметров свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах и их использование при проектировании 89
4.1 Общие сведения о разработанной программе 89
4.2 Элементы управления программы, параметры ввода исходных данных 90
4.2.1 Определение поправочных коэффициентов для прогнозирования несущей способности буроинъекционных свай 90
4.2.2 Модуль ввода исходных данных и расчета несущей способности свай 91
4.2.3 Модуль расчета параметров свайно-плитных фундаментов 95
4.3 Пример определения параметров свайно-плитного фундамента из буроинъекционньгх свай 96
4.4 Выводы по главе 4 98
5 Практическое применение результатов исследований и направления их дальнейшего развития 99
5.1 Внедрение результатов исследований при проектировании свайно-плитных фундаментов на реальных объектах Краснодарского края 99
5.1.1 Выбор фундаментной конструкции здания при сложном напластовании грунтов основания 100
5.1.2 Назначение требуемой несущей способности свай в составе свайно-плитных фундаментов за счет обеспечения их сопротивления по боковой поверхности 111
5.1.3 Разработка конструктивного решения свайно-плитного фундамента здания при строительстве в стесненных городских условиях 118
5.2 Направления дальнейшего развития исследований 126
5.3 Выводы по главе 5 127
Основные выводы 128
Список литературы 130
Приложение А 145
Приложение Б 146
Приложение В 147
Приложение Г 148
Приложение Д 149
- Оценка взаимодействия свай с грунтом при различном их расположении (одиночном, кустовом и в виде свайного поля)
- Численные эксперименты в программном комплексе Midas GTS для обоснования подхода к размещению буроинъекционных свай в плане в составе свайно-плитного фундамента
- Модуль ввода исходных данных и расчета несущей способности свай
- Выбор фундаментной конструкции здания при сложном напластовании грунтов основания
Введение к работе
Актуальность темы. Одна из главных задач современного строительства - поиск новых конструктивных решений зданий и сооружений, а также методов их проектирования для повышения технико-экономических показателей. Характерным примером таких конструктивных решений являются свайно-плитные фундаменты с применением буроинъекционных свай.
В отечественных нормативных документах кратко освещаются методы проектирования евайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай. В частности, не в полной мере учитывается несущая способность буроинъекционных свай, часть основных параметров свайно-плитных фундаментов (диаметр, длина и шаг свай и другие) назначаются без учета особенностей их работы в песчаных и глинистых грунтах. Если усовершенствовать метод проектирования ев айно-плитных фундаментов, то можно значительно снизить их материалоемкость, сократить сроки строительства, а также уменьшить неравномерные деформации зданий и сооружений.
Таким образом, возможность экономии материальных и трудовых ресурсов еще на стадии проектирования позволит считать тему диссертационной работы актуальной.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в совершенствовании метода проектирования свайно-плитных фундаментов с использованием буроинъекционных свай, обеспечивающего эффективность его применения на песчаных и глинистых грунтах Краснодарского края.
Задачи исследований:
-
Обобщить результаты полевых испытаний натурных буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах и представить их в виде, удобном для сопоставления с данными теоретических исследований.
-
Выполнить теоретическое моделирование нагружения буроинъекционных свай, сопоставить полученные данные с результатами экспериментальных исследований и усовершенствовать метод оценки их несущей способности в песчаных и глинистых грунтах.
1 Под буроинъекционными в данной работе понимаются сваи диаметром от 250 до 1400 мм, изготавливаемые по технологии CFA (Continuous flight auger).
3.Установить критерий оценки эффективности работы свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах в зависимости от количества, шага, диаметра и длины буроинъекционных свай.
-
Разработать программу для ЭВМ по выбору рациональных параметров свайно-плитных фундаментов и на основе численных экспериментов усовершенствовать метод их проектирования на песчаных и глинистых грунтах.
-
Осуществить внедрение результатов исследований при проектировании свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах, обеспечив экономию строительных материалов и сократив трудозатраты.
Научная новизна исследований:
-
Усовершенствован метод оценки несущей способности буро-инъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах, отличающийся от известных тем, что в расчетах использованы коэффициенты, которые установлены на основании обобщения и статистической обработки полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой, сгруппированных по их геометрическим параметрам.
-
Предложен критерий для определения эффективности работы свайно-плитных фундаментов, который оценивается удельной несущей способностью материала свай и зависит от их диаметра, длины и шага.
-
Установлено, что путем расстановки буроинъекционных свай в плане свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах можно снизить абсолютные и относительные деформации фундаментов, не изменяя объема их материала и жесткости надземных строительных конструкций. Например, при изменении расстояния между сваями от 3 до 7 диаметров осадка фундамента уменьшается в 1,3-1,5 раза за счет более рационального распределения усилий между сваями и плитной частью фундамента.
Практическая значимость работы:
Разработаны рекомендации прогнозирования несущей способности буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах, позволяющие на основании экспериментальных данных принимать решения по расчетным нагрузкам на сваи, не прибегая к проведению полевых статических испытаний.
Усовершенствованный метод проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай позволяет объединить сваи в
группы по геометрическим параметрам, что дает экономию строительных материалов и снижает деформации грунтов основания.
Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, механики твердого и деформируемого тела, математической статистики; применением сертифицированных программных комплексов; обеспечивается достаточным объемом исследований с применением современных средств обработки экспериментальных данных.
Результаты научных исследований внедрены:
- в предприятии ООО «ГЕОТЭК» при проектировании свайно-
плитных фундаментов зданий на объектах:
Многоквартирные жилые дома для размещения временного персонала, волонтеров и сил безопасности, привлекаемых на период проведения XXII Зимних Олимпийских игр и XI Паралимпийских зимних игр 2014 г. в г. Сочи;
Восемнадцатиэтажный жилой комплекс из 4-х зданий по ул. Гастелло в Адлерском районе г. Сочи;
Двадцатитрехэтажный гостиничный комплекс MARRIOTT в г. Краснодаре.
- в Кубанском государственном аграрном университете при вы
полнении дипломных проектов (работ) студентами инженерно-
строительного факультета.
На защиту выносятся:
-
Результаты обобщения и статистической обработки полевых испытаний натурных буроинъекционных свай на вертикальную статическую вдавливающую нагрузку в песчаных и глинистых грунтах.
-
Усовершенствованный метод оценки несущей способности буроинъекционных свай, основанный на результатах экспериментальных исследований.
-
Метод проектирования и оценка эффективности свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах.
-
Программа для ЭВМ «CPRF-CFA» по определению параметров евайно-плитного фундамента (диаметр, длина и шаг свай) из буроинъекционных свай.
5. Результаты внедрения свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на территории Краснодарского края.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах IV-VI всероссийских научно-практических конференций «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2010-2012г.г.); на 2 - й межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научное творчество молодежи - шаг в будущее!» в направлении «Современные тенденции в архитектуре и строительстве» (Анапа, 2012г.); «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, 2012г.); Всеукраинском международном научно-практическом семинаре «Современные проблемы геотехники», посвященном 50-летию геотехнической научной школы Полтавского национального технического университета имени Юрия Кондратюка (Полтава, 2012г.); на научных семинарах кафедры оснований и фундаментов КубГАУ (Краснодар, 2010-2013г.г.).
Личный вклад автора:
систематизированы результаты полевых испытаний натурных буроинъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой в песчаных и глинистых грунтах;
усовершенствован и апробирован метод расчета несущей способности буроинъекционных свай;
установлены параметры свайно-плитных фундаментов, влияющие на эффективность их работы; усовершенствован метод проектирования свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах;
создана программа «CPRF-CFA» для определения параметров проектирования свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, а также одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. По теме диссертации поданы две заявки на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 135 наименований, 49
рисунков, 15 таблиц и 5 приложений. Объем диссертации составляет 149 страниц.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю -кандидату технических наук, доценту М. Б. Мариничеву; заведующему кафедрой оснований и фундаментов КубГАУ - доктору технических наук, профессору А. И. Полищуку за постоянную помощь при работе над диссертацией.
Автор благодарен сотрудникам кафедры оснований и фундаментов Кубанского ГАУ за доброжелательное отношение и поддержку выбранного направления исследований.
Оценка взаимодействия свай с грунтом при различном их расположении (одиночном, кустовом и в виде свайного поля)
Грунт под нижним концом сваи и в некоторой области вокруг боковой поверхности находится в предельном состоянии. Существует множество методов определения расчетных характеристик грунта в предельном состоянии, зависящих от принятой физической модели системы «свая - грунт».
При действии нагрузки свая перемещается вместе с небольшим слоем грунта вдоль боковой поверхности, что подтверждено в экспериментальных исследованиях буронабивных свай [65]. В связи с этим возникает эффект полного прилипания, и разрушение идет не по самому контакту, а по грунту [47]. Взаимодействие боковой поверхности описывается как грунт по грунту, и определение предельных сопротивлений сдвигу следует вести по закону Кулона в зависимости от горизонтального давления aR
В результате исследований, проведенных российскими учеными [13, 25, 77], установлены данные о распределении сил трения вдоль боковой поверхности и под острием сваи, а также закономерности их развития с увеличением нагрузки в разных грунтовых условиях. На основании этих данных для определения предельных сопротивлений разработаны таблицы СНиП (таблицы 1 и 2) [95].
Изучению поведения буровой сваи в грунте посвящено множество работ [41, 60, 61, 64 69, 68 и др.]. Безусловно, буроинъекционная свая обладает рядом преимуществ, среди которых повышенная несущая способность в сравнении с результатами расчета по действующим нормативным методикам [95, 96].
На основании статической обработки 80 испытаний свай на статическую вдавливающую нагрузку в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга профессором В. Н. Парамоновым [82] было выполнено сопоставление фактической и рассчитанной по СНиП несущей способности буронабивных свай. В результате он установил, что предварительная несущая способность, рассчитанная по СНиП, может быть увеличена в 1,7 раза.
В. В. Конюшковым [61] был проведен анализ более 200 полевых испытаний свай, выполненных в Санкт-Петербурге. Объектом его изучения являлись буроинъек-ционные сваи длиной от 5 до 28 м, диаметром - от 0,13 до 0,35 м, выполненные различными технологиями. Он утверждает, что для более точного определения несущей способности буроинъекционных свай, расположенных в пылевато-глинистых грунтах с консистенцией от текучей до мягкопластичной (о= 5... 15 МПа) и острием, устроенным в грунтах с консистенцией от тугопластичной до полутвердой (Е0 = 5...15 МПа), необходимо применять поправочные коэффициенты, полученные эмпирическим путем. Поправочные коэффициенты определены для буроинъекционных свай, у которых несущая способность принимается при осадке равной 4 см, в зависимости от технологии они будут заключены в интервалах:
- 1,4 к 1,5 - с помощью проходного шнека (ус/ 0,9-1,0);
- 1,5 к 1,6 - под защитой обсадных труб (ус/= 0,8-0,9);
- 1,5 к 1,6 - под защитой глинистого раствора (ус/= 0,8-0,9);
- 2,0 к 2,1 - сваи Titan (ус/= 0,8-0,9).
Заниженную фактическую несущую способность буроинъекционной сваи по грунту на вертикальную нагрузку в сравнении с рассчитанной по таблицам [95] автор связывает с недоучетом особенностей технологии ее изготовления (увеличением диаметра сваи, возрастанием сил трения по боковой поверхности сваи при их опрессовке под давлением).
При опрессовке свай бетонной смесью сила трения по боковой поверхности возрастает в глинистых грунтах в 1,4-1,6 раза, а в песчаных - в 1,2-1,3, что было установлено в исследованиях И. М. Клейнера [60].
Однако следует отметить, что определение расчетных сопротивлений по боковой поверхности ведется исходя из показателя консистенции грунта її, который не характеризует с достаточной точностью прочностные и деформационные характеристики грунта [64]. Существующие погрешности при определении показателя консистенции (способ отбора грунта, условия перевозки и хранения, образцов грунта, субъективный человеческий фактор при лабораторных испытаниях и т. д.) также усугубляют проблему определения правильных значений сопротивления по боковой поверхности.
Свайный фундамент из отдельно стоящих одиночных свай практически не встречается в практике. Для восприятия больших нагрузок, а также исходя из конструктивных и других требований сваи группируются в кусты или свайные поля. Известным фактом является различие в поведении сваи в кусте, свайном поле от одиночной сваи.
Изучение свайных фундаментов направлено на определение множества факторов, влияющих на итоговую несущую способность фундамента. В числе главных является определение несущей способности одиночной сваи, изменение ее в составе группы свай (куст, свайное поле), участие ростверка в распределении нагрузки от вышележащих конструкций, распределение усилий между сваями в фундаменте, зависимость напряжений в фундаментной конструкции от жесткости надземной конструкции и многие другие.
Оценка сопротивления свай в группе является основной задачей в теме изучения взаимодействия свай, грунта и ростверка. В работах Н. М. Дорошкевич и В. В. Знаменского [44, 46, 54, 55, 56] было установлено, что характер передачи нагрузки на грунт сваями группы и одиночными сваями различен и заключается в снижении сил трения по боковой поверхности сваи группы по сравнению с одиночной сваей. Уменьшение сил трения по боковой поверхности коррелируется с осевым расстоянием между сваями, местоположением их в группе и типом ростверка. Все сказанное выше было подтверждено в результате экспериментальных исследований [54] на модельных и натурных свайных фундаментах, состоящих из специальных тензометрических свай, позволяющих контролировать распределение усилий в группе свай, а также замерять нагрузку, воспринимаемую боковой поверхностью и острием каждой сваи. В ходе испытаний выяснилось, что наибольшее снижение сил трения по боковой поверхности наблюдается при осевом расстоянии между сваями 3...4 d.
Большой объем экспериментальных и теоретических исследований в анализе взаимодействия свай в кусте выполнено А. А. Бартоломеем [9]. Автор исследовал целый ряд вопросов взаимодействия свай с грунтом при одиночном и кустовом расположении. С этой целью были проведены полевые испытания в различных грунтовых условиях. Серия опытов состояла из испытания одиночных свай, свай-штампов, тензосвай, свайных фундаментов при расположении свай в один и два ряда с расстоянием между сваями 3 d и 6 d (сваи сечением 25 25 и 30 х 30 см, длиной 5-12 м), кустов из 4, 6, 9 свай, ленточного фундамента на естественном основании, штампов.
Автор определил два этапа включения боковой поверхности сваи в работу в составе куста свай. На первом этапе грунт, находящийся в межсвайном пространстве и примыкающий к сваям, оседает вместе со сваями на 10—15 мм. Второй этап включения в работу боковой поверхности сваи отмечен с осадки 30—35 мм и обусловлен тем, что грунт под острием свай уплотнился настолько, что не позволяет вышележащим слоям оседать вместе со сваями. А полная несущая способность свайного фундамента достигается при критической осадке, когда возникают перемещения, при которых исчерпывается несущая способность грунта.
В своих исследованиях автор провел множество экспериментов по установлению распределения нагрузок между боковой поверхностью и острием, а также между сваями группы и одиночной сваей. Анализ испытания свайного фундамента из 9 свай и свай, испытанных как отдельно стоящих, показывает, что при испытании центральной сваи как отдельностоящей ее сопротивление значительно выше, чем при ее испытании в составе кустового фундамента. Зато сопротивление угловой сваи практически не зависит от того, как она испытана.
В результате статистической обработки данных экспериментов с использованием тензометрических свай установлен факт и этап включения в работу боковой поверхности сваи. Выявлено, что угловые сваи обладают большим сопротивлением по боковой поверхности и работают под нагрузкой практические так же, как одиночные. А центральные сваи оседают вместе с грунтом, трение по боковой поверхности практически отсутствует, и острие их воспринимает в 2 раза больше нагрузки, чем боковая поверхность.
Проведенные автором экспериментальные исследования по изучению распределения нагрузки между ростверком и сваями в составе фундаментной конструкции выявили процентное соотношение, приходящееся на каждую часть конструкции в зависимости от осевого расстояния между сваями. Так, установлено, что, если расположить сваи с осевым расстоянием в 3 диаметра, ростверк воспринимает около 10 % всей нагрузки, а при расстоянии 4-6 d— способен взять на себя до 30-35 %.
Численные эксперименты в программном комплексе Midas GTS для обоснования подхода к размещению буроинъекционных свай в плане в составе свайно-плитного фундамента
Как отмечалось ранее, наиболее достоверным способом в расчете свайно-плитных фундаментов является расчет по деформациям. В проведенных исследованиях данной диссертационной работы установлено, что неравномерность деформаций присутствует при различных показателях гибкости плиты ростверка и ее характер одинаков для всех значений гибкости, центр плиты имеет большую деформацию по сравнению с краем. Компенсировать такую неравномерность возможно введением свай с различной несущей способностью, распределенной в плане.
Изменять несущую способность свай в плане возможно нескольким способами. Применение разных технологий изготовления свай позволяет варьировать не только несущей способностью, но и удельными затратами на единицу свайного фундамента. Устраивать сваи по разной технологии на одной строительной площадки это достаточно сложный процесс и эффективность его использования, может быть оправдана, только если рассматривать строительные площадки больших размеров. Изменение геометрических размеров сваи имеет прямую взаимосвязь с несущей способностью. Самым простым способом изменения несущей способности в плане является варьирование диаметром и длиной сваи. В любом случае изменение несущей способности сваи в плане не предусматривается действующими нормами проектирования в нашей стране. Однако за рубежом, как уже упоминалось в гл. 1, применение свай с различной длиной и диаметром в плане имеет широкую практическую реализацию [132]. Необходимость использования более длинных свай в центре объясняется тем, что за счет взаимного влияния свай друг на друга у центральных свай ослабевает несущая способность по боковой поверхности и требуется большая длина для набора требуемой несущей способности.
Изменение несущей способности посредством варьирования длины свай в плане может явиться действенным методом на пути к снижению неравномерных деформаций, увеличения доли нагрузки воспринимаемой плитой, а также снижения затрат на возведения фундаментной части здания или сооружения.
На основании проведенных исследований деформаций, возникающих в фундаментной конструкции, условно введем разделение конструкции в плане на расчетные зоны, различные по деформациям (рисунок 3.11), для каждой из которых характерна своя деформация и геометрические размеры.
Для предварительной оценки деформаций, возникающих в фундаментной конструкции, необходимо выполнить расчет свайно-плитного фундамента с регулярным расположением свай в плане и с осевым расстоянием 6—7 d, суммарная несущая способность которых составляет 85 % от всей нагрузки, передаваемой на грунтовое основание [97]. При такой расстановке свай деформации, возникающие в центре плиты, значительно отличаются от крайних. Нагрузка на сваи распределяется по уже установленным тенденциям, в которых центральные сваи практически не воспринимают усилия. А для учета влияния формы фундаментной конструкции рассмотрим два варианта геометрии: прямоугольная плита с соотношением сторон l/b = 2 и квадратная.
Разделение фундаментной конструкции выполнено на основе анализа деформаций конструкций с различной степенью жесткости. Расчетные зоны условно разделяют фундамент по значениям деформаций. Для первой зоны характерны максимальные деформации, по отношению к перемещению края фундаментной конструкции. Вторая зона - средние деформации, третья - умеренные деформации и четвертая - минимальные деформации. Наличие всего трех зон является исключением из правил, так как присуще только фундаментам с соотношением сторон l/b = 1. Каждая зона ограничена своими габаритными размерами, которые вычисляются исходя из размера наименьшей стороны фундамента (Ь). Отклонение от обозначенных размеров возможно в меньшую или в большую сторону, но не более 0,05-0,1 Ъ. Также необходимо ввести ограничения в решение подобных задач. Первая зона должна вмещать минимум 5 свай с учетом осевого расстояния 6 d и минимально возможного диаметра, применимого в данных условиях. При отсутствии возможности выбора такого диаметра допускается объединять первую и вторую расчетную зону в одну. Требования к выбору диаметра сваи, обратные к первому ограничению: диаметр должен быть таким, при котором в первую зону вмещается 5 свай с учетом метода рационального подбора.
Подбор требуемой длины сваи удобно вести графическим способом. Для этого определяется несущая способность свай с шагом изменения длины по 2 м, при использовании свай CFA определение ведется по методу, приведенному в гл. 2, и строится зависимость несущей способности от длины.
К примеру, для сравнительного анализа рассмотрим два варианта гибких фундаментов. Исходные данные, а также свойства грунта основания сведены в таблицу 6.
Условно всю нагрузку, действующую на плиту, заменим равномерной (375 кПа) по площади и определим суммарную нагрузку. Применение плитного фундамента в такой ситуации невозможно из-за возникающих деформаций, значительно превышающих допустимые значения, следовательно, одно из возможных решений - переход к свайному фундаменту. Для данной геометрии плиты с регулярным размещением свай в плане применим диаметр сваи CFA 400 мм, так как именно этот диаметр удовлетворяет требованиям рационального выбора и условиям разделения плиты на зоны. Суммарное число свай для прямоугольной плиты составляет 91 шт., а для квадратной — 49 шт. Анализировать несущую способность начнем с минимальной длины 4 м с шагом 2 м до длины 34 м и составим график (рисунок 3.12), который будет иметь линейный характер, а в условиях однородного грунтового основания - с отсутствием изгибов и переломов.
Предположительно [97] сваи должны воспринять 85 % нагрузки. Исходя из общего числа свай, длина сваи в прямоугольном фундаменте составляет 24 м, а в квадратном - 22 м. Определение деформаций выполнялось в ПК Midas GTS в про странственной постановке, а в качестве модели грунта выбрана модель Кулона-Мора (рисунок 3.13). Фундаментная плита задавалась упругой моделью Elastic.
Как видно из таблицы 7, распределение нагрузки по зонам происходит неравномерно, как и при расстановке свай по регулярной сетке. В исследованиях, проводимых по изучению работы свайно-плитного фундамента [2, 34, 90], а именно по установлению доли нагрузки, воспринимаемой плитой, составляет приблизительно 50 %. Такое распределение нагрузки является весьма выгодным, и экономический эффект от применения таких фундаментов очевиден. Именно такое предположение о распределении нагрузки и положено в основу численного эксперимента. Для достижения поставленного результата решено варьировать процентным соотношением между расчетными зонами. В качестве отправной точки поиска принято равномерное распределение нагрузки. В прямоугольном фундаменте на 4 зоны по 25 %, а в квадратном на 1 зону - 30 %, на остальные зоны равномерно по 35 %. Исходя из известного количества свай в каждой зоне и зная зависимость распределения несущей способности сваи от длины, определим требуемые параметры свайно-плитного фундамента (таблица 8).
Модуль ввода исходных данных и расчета несущей способности свай
Для начала расчета в рассматриваемой программе необходимо иметь определенный набор исходных данных (таблица 9).
Загрузка программы происходит с модуля ввода исходных данных свойств грунтового основания и расчета несущей способности буроинъекционных свай (рисунок 4.2, а). Пользователь задает количество инженерно-геологических слоев основания и в зависимости от вида грунта (песчаный или пылевато-глинистый) вводит свойства грунта (рисунок 4.2, б, в).
После ввода свойств инженерно-геологических слоев формируется разрез, согласно данным, указаным при вводе. По методу расчета несущей способности [95] вся грунтовая толща разбивается на расчетные слои мощностью не более 2 м, и по таблице [94] определяется расчетное сопротивление по боковой поверхности сваи с грунтом. А в случае нахождения значений в промежуточном интервале вычисляется методом интерполяции. Далее пользователь указывает рассматриваемый диаметр в пределах от 0,25 до 1,4 м, а программа просчитывает несущую способность сваи длиной от 4 м с шагом 2 м.
Максимальная длина сваи может задаваться вручную или согласно ограничениям технологии изготовления буроинъекционных свай CFA (рисунок 4.3). В расчете учитываются поправочные эмпирические коэффициенты, повышающие значение несущей способности. Они определяются на основании базы данных теоретических и эмпирических значений несущей способности в отдельном расчетном модуле и группируются по критериям (см. гл. 2).
В ходе расчета несущей способности вычисляется множество промежуточных значений, которые часто необходимо контролировать или редактировать согласно особенностям изготовления сваи и грунтовым условиям. Для этого в программе предусмотрен контроль промежуточных значений и возможность их редактирования.
Убедившись в адекватности расчета несущей способности и проверки исходных данных, пользователь переходит к финальному модулю программы по определению параметров для свайно-плитного фундамента по методу, приведенному в гл. 3 настоящей диссертационной работы.
Выбор фундаментной конструкции здания при сложном напластовании грунтов основания
В современном строительстве наблюдается тенденция к увеличению этажности надземной и подземной частей зданий и сооружений. По мере увеличения получаемых полезных показателей с одного квадратного метра участка возрастпет нагрузка на основание. Применение «простых» фундаментов (фундаментов мелкого заложения) в ряде случаев становится весьма затруднительным из-за неблагоприятных инженерно-геологических условий площадки строительства, а именно в случае со сложным напластованием грунтов основания.
Ярким примером таких грунтовых условий является застройка жилого квартала в с. Веселое Адлерского района г. Сочи по ул. Таврической — Акаций (рисунок 5.1). На этом объекте размещаются многоквартирные жилые дома для размещения временного персонала, волонтеров и сил безопасности, привлекаемых на период проведения XXII Олимпийских зимних игр и XI Паралимпийских зимних игр 2014 г.
Застройка квартала состоит из девяти блоков, каждый из которых включает от одной до четырех двенадцатиэтажных монолитных железобетонных секций.
Непосредственно площадка проектируемого строительства приурочена к первой надпойменной террасе долины р. Псоу и находится в 425-500 м от ее русла.
Территория строительства сложена четвертичными аллювиальными отложениями и представлена гравийно-галечниковыми грунтами, глинистыми разностями и песками, перекрытыми сверху делювиальными и насыпными грунтами, а также почвенно-растительным слоем. Гидрогеологические условия площадки характеризуются наличием постоянного первого от поверхности земли водоносного горизонта, приуроченного к аллювиальным гравийно-галечниковым отложениям с линзами глинистых грунтов и песков.
В процессе исследования массива грунта было установлено, что на изученной глубине площадка строительства представлена семью инженерно-геологическими слоями, встречающимися в различных комбинациях.
Наиболее благоприятная ситуация для строительства сложилась в пределах размещения блоков 1/1 и 2/1. Практически с дневной поверхности и на глубину до 17-19 м с небольшими по мощностям линзами других слоев залегает прочный слой галечника ИГЭ-5. Для указанных блоков наиболее рациональным будет применение фундамента мелкого заложения (фундаментная плита толщиной 600 мм). Однако столь благоприятная ситуация наблюдается только на этих двух блоках. В остальных случаях слой галечника ИГЭ-5 имеет мощность 1—5 м и расположен в различном вертикальном положении.
Под блоками 1/2-4 всю толщу грунтов прорезают слои слабой глины ИГЭ-3. Деформации плитных фундаментов, вычисленные методом послойного суммирования [94] для данных блоков (с учетом требований п. 5.5.41 СП 50-101-2004, согласно которому нижняя граница сжимаемой толщи для фундаментов шириной более 20 м находится на пересечении 0,5ozp), составляют от 18 до 45 см. Это значительно превышает допустимые пределы.
Для более точного определения напряженно-деформированного состояния основания были выполнены расчеты с использованием современных геотехнических компьютерных программ - Plaxis-2d и Midas GTS. С помощью них определено влияние слоев слабого грунта основания в пределах сжимаемой толщи путем решения плоской и пространственной задач. Программы позволили определить картину растекания напряжений на кровле слабого слоя и концентрацию на подстилающих слоях, а также корректно оценить жесткость разносжимаемого основания. Результаты вычислений (рисунок 5.2) в программных комплексах подтвердили аналитический расчет осадки методом послойного суммирования. В связи с этим переход к свайному фундаменту рационален и, соответственно, требует подоборки вида свай.
В качестве примера рассмотрен выбор фундаментной конструкции одного из наиболее характерных блоков. Толща грунта основания представлена на рисунке 5.3, а физико-механические характеристики сведены в таблицу 10.
Рассматривались все возможные варианты свайного фундамента. Применение забивных свай является наиболее технологичным решением, однако их невозможно погрузить галечниковый грунт— слой ИГЭ-5. Также из-за большой длины сваи придется делать составными, что не гарантирует их надежности при горизонтальной нагрузке. Так как сейсмичность площадки составляет 8 баллов, этот показатель является самым значимым. Следовательно, выполнение свайного фундамента из забивных свай в данных условиях неосуществимо.
Прохождение прослоек галечникового грунта ИГЭ-5 возможно с применением разнообразных буровых свайных технологий. В данных условиях наиболее подходящая из них — буронабивная с использованием инвентарных обсадных труб. Проектируемый свайный фундамент должен удовлетворять требованиям первой и второй группы предельных состояний, для этого необходимо подобрать длину и диаметр свай. При выборе диаметра сваи учитываются технологические возможности выполнения и соблюдения требований экономичности, приведенных в гл. 4. В данных условиях он составляет 630 мм. Длину буронабивной сваи ограничивают 25 диаметрами (15,75 м), согласно действующим нормативным документам [95, 96, 97]. Конечная фундаментная конструкция, запроектированная в условиях отечественных норм, представляет собой свайный фундамент из 171 набивной сваи. На данное проектное решение получено положительное заключение Глав госэкспертизы. Однако проведенные исследования в области современных буровых технологий и свайно-плитных фундаментов позволяют пересмотреть стандартное решение и предложить менее затратный вариант строительства.
Процесс принятия решения состоит из целого ряда итераций, на каждом этапе анализируется возможный вариант с применением той или иной свайной технологии. В результате подбирается свайная технология, имеющая положительный опыт применения в подобных инженерно-геологических условиях.
Таким образом, для данного объекта наиболее рациональными свайными технологиями стали буроинъекционные, выполненные с помощью CFA и имеющие множество положительных результатов использования в аналогичных условиях. Также их преимуществом являются сжатые сроки изготовления. Однако принятый диаметр свай в 630 мм невозможно применять вследствие ограничения нормативных документов, в которых диаметр для буроинъекционных свай ограничен в 350 мм [95].
Проведенный анализ современных исследований, мировой геотехнический опыт внедрения буроинъекционных свай большого диаметра в практику строительства, а также ряд успешно реализованных объектов на территории Краснодарского края позволяют пересмотреть нормативные ограничения применяемого диаметра. В условиях нормативно-правовых требований использование технологии, не имеющей отражения в действующих нормах, возможно созданием документа «Специальные технические условия» для данного объекта, разрешенных вышестоящим органом власти.
После рассмотрения нормативного решения первым этапом на пути поиска наиболее эффективной фундаментной конструкции, оцененной в рамках приведенных выше критериев, является использование свай CFA с несущей способностью, рассчитанной по стандартным нормативным методам. В таком случае фундамент состоит из свай диаметром 630 мм, а общее количество, необходимое для восприятия всей нагрузки от здания - 94 шт. длиной 24 м. Сваи располагаются непосредственно под несущими конструкциями с осевым расстоянием между сваями - 3—4 диаметра Такое проектное решение выполнено на гране допустимых норм проектирования и использования современных данных научных исследований. Для реализации на практике фундамента, состоящего из свай CFA, составлено «Специальное техническое условие». Данное решение удовлетворило требования всех заинтересованных сторон и было принято для дальнейшей работы (рисунок 5.4).
Принятый вариант фундаментной конструкции имеет большие потенциальные возможности для корректирования в сторону повышения эффективности использования материала. Поэтому, следуя методу проектирования свайно-плитного фундамента, описанному в гл. 3, необходимо установить несущую способность сваи CFA в зависимости от длины и с учетом повышающих поправочных коэффициентов, определенных в данной диссертационной работе. На рисунке 5.5Рисунок 5.5 приведен график, на котором изображена зависимость несущей способности сваи CFA от длины, вычисленной по нормативному (1) и предложенному (2) методам.
